專(zhuān)利名稱(chēng)：一種微細(xì)纖維增強(qiáng)紙的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微細(xì)纖維增強(qiáng)紙，尤其是這種紙的制備方法。
背景技術(shù)：
基于環(huán)境保護(hù)和資源可再生利用的考慮，造紙使用回用纖維的比例增多，如由回收紙張得到的纖維素纖維。但隨著纖維回用次數(shù)的增多，其纖維結(jié)構(gòu)損傷增加，由此影響紙張強(qiáng)度。我國(guó)由于木材資源缺乏，造紙用木漿基本上依賴(lài)進(jìn)口，使用一年生植物和回用纖維制備的紙漿比例很大，尤其對(duì)于包裝用瓦楞紙，基本上采用植物桔桿纖維和回用纖維，但紙張強(qiáng)度問(wèn)題，對(duì)于包裝用紙，就顯得更為突出。
針對(duì)提高紙張強(qiáng)度，目前有添加水分散性高聚物作為粘結(jié)劑和添加有機(jī)或無(wú)機(jī)纖維增強(qiáng)的方法和技術(shù)。US5622786采用聚丙烯酸及其衍生物類(lèi)、丁苯橡膠、丙腈橡膠或丙烯腈與丁二烯共聚物、聚氯乙烯、聚醋酸乙烯、氯乙烯與醋酸乙烯共聚物、醋酸乙烯與丙烯酸乙烯酯的共聚物形成的膠乳粘結(jié)劑(Latex binder)，其用量為紙張干重的15～60％，從而增強(qiáng)紙張纖維之間的結(jié)合力，提高抗拉和撕裂強(qiáng)度。US5595828在添加15～60％的膠乳粘結(jié)劑的基礎(chǔ)上，添加5～25％聚酯纖維(文中百分含量均指相對(duì)于紙張干重的重量百分含量，特別注明的除外)，綜合提高紙張的斷裂伸長(zhǎng)和撕裂強(qiáng)度。這些技術(shù)中，膠乳和纖維的添加量較大，生產(chǎn)紙張的成本較高。
US5679443推出的聚丙烯酰胺類(lèi)陽(yáng)離子凝聚劑，結(jié)合2～30％樹(shù)脂粘結(jié)劑(resin binder)，碳酸鈣為填充料，添加玻璃纖維和巖棉纖維，制成纖維增強(qiáng)紙板，其增強(qiáng)效果主要依賴(lài)于粘結(jié)劑的用量，對(duì)于降低成本仍然不利。US55066046中，可添加的纖維還包括陶瓷纖維，碳纖維和金屬纖維作為紙的增強(qiáng)纖維，并加入水泥作為聚集料(aggregate)。這在生產(chǎn)工藝上很難實(shí)施，水泥成份易在貯漿池(或稱(chēng)漿井)或貯漿井中出現(xiàn)沉積，不僅使成品的質(zhì)量均勻性受影響，還可能導(dǎo)致貯漿池(或稱(chēng)漿井)或貯漿井因水泥沉積而受損，而且這種方法只適于制造紙板，不適于制造紙張。
造紙所用的植物纖維，平均長(zhǎng)度約在0.5～10mm之間，最長(zhǎng)約為130mm，平均直徑在1～100μm之間(木漿纖維主要在20到40μm之間)，其纖維可以是包含木質(zhì)素的纖維和纖維微絲。添加的增強(qiáng)纖維平均直徑宜小于或接近于纖維素纖維的平均直徑，方可使紙張?jiān)鰪?qiáng)后不改度其粗糙感。同等重量百分含量的纖維。粗纖維在紙中形成的纖維網(wǎng)絡(luò)骨架遠(yuǎn)少于微細(xì)纖維，如果纖維模量和強(qiáng)度相同，其增強(qiáng)效果也不如微細(xì)纖維。并且無(wú)機(jī)纖維如玻璃纖維、巖棉纖維、陶瓷纖維平均直徑較粗約在20μm以上，纖維柔順性差，易使紙張顯現(xiàn)粗糙感。
中國(guó)專(zhuān)利CN1153244A提出僅以絲狀或網(wǎng)狀尼龍絲或金屬絲加強(qiáng)纖維紙，因化纖表面普遍存在疏水性，與親水性較強(qiáng)的纖維素纖維的表面缺乏化學(xué)親合力，增強(qiáng)效果不明顯。金屬絲與金屬網(wǎng)增強(qiáng)紙，如果不是附加值很高的品種，是不經(jīng)濟(jì)的。
以微細(xì)纖維作為增強(qiáng)材料，所指的微細(xì)纖維其纖度范圍為0.5≤d≤2，(登尼爾(d)是測(cè)量纖維絲的纖度的單位，9000米纖維重量為1克時(shí)，纖度為1d)，已在纖維增強(qiáng)混凝土中廣為使用。專(zhuān)利CN1071652A推出了高結(jié)晶度的聚丙烯微細(xì)纖維增強(qiáng)成型的混凝土制品，平均纖維長(zhǎng)度為2～15mm。據(jù)我們的試驗(yàn)結(jié)果表明，單純以合成纖維增強(qiáng)混凝土制品，在其斷裂面的纖維細(xì)絲上，基本不粘掛混凝土成份，即纖維表面未能與混凝土基材形成較強(qiáng)的化學(xué)結(jié)合力，其增強(qiáng)作用主要為纖維網(wǎng)架所構(gòu)成的機(jī)械力。一旦基體應(yīng)力集中發(fā)生開(kāi)裂，纖維會(huì)從結(jié)合得不太牢固的基體中抽出，增強(qiáng)效果大打折扣。從微細(xì)纖維增強(qiáng)混凝土制品技術(shù)中出現(xiàn)的情況，可以推測(cè)，以微細(xì)纖維增強(qiáng)紙張強(qiáng)度，纖維表面必須改性，以增加合成微細(xì)纖維與纖維素之間的化學(xué)親合力，改善增強(qiáng)效果。結(jié)合熒光微細(xì)纖維，可以避免熒光油墨印刷易被仿制現(xiàn)象，因?yàn)闊晒饧?xì)旦纖維在紫外燈下產(chǎn)生的熒光細(xì)長(zhǎng)而無(wú)徑向擴(kuò)展，熒光油墨印刷有徑向擴(kuò)展現(xiàn)象。
為了解決纖維增強(qiáng)紙張技術(shù)中出現(xiàn)的上述紙張柔順性、工藝實(shí)施性、纖維素纖維與增強(qiáng)纖維界面結(jié)合力、紙張制造成本等問(wèn)題，特完成本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種成本較低，工藝上易于實(shí)現(xiàn)，表面光滑，并且添加增強(qiáng)纖維與紙張纖維素纖維結(jié)合牢固的微細(xì)纖維增強(qiáng)紙的制造方法。
結(jié)合熒光技術(shù)可以制備防偽紙張，熒光細(xì)旦纖維在紫外燈下產(chǎn)生的熒光細(xì)長(zhǎng)而無(wú)徑向擴(kuò)展，熒光油墨印刷有徑向擴(kuò)展現(xiàn)象，可以避免熒光油墨印刷易被仿制現(xiàn)象。
本發(fā)明的構(gòu)思是這樣的采用纖維纖度為0.5～2d(登尼爾)的聚合物微細(xì)纖維，平均長(zhǎng)度在3～20mm；添加量在0.2～10％之間，最佳為0.5～5％；通過(guò)聚合物微細(xì)纖維在紙張的纖維素纖維之間形成纖維互穿網(wǎng)絡(luò)骨架；并且添加0.02～1％的聚合物表面活性劑，使聚合物微細(xì)纖維表面改性，增強(qiáng)與纖維素纖維之間的結(jié)合力，聚合物表面活性劑的最佳添加量為0.05～0.5％；添加0.1～3％的淀粉或改性淀粉以增加纖維素纖維、纖維素與填充料之間的結(jié)合強(qiáng)度，最佳用量為0.5～1％；在要求強(qiáng)度較高的紙張如包裝用紙的制造過(guò)程中，還可以添加0.2～2％的熱塑性樹(shù)脂乳液，作為復(fù)合增強(qiáng)之用。添加CaCO3、TiO2作為無(wú)機(jī)填充料，改善紙張的不透明性和書(shū)寫(xiě)性能。
本發(fā)明的主要特點(diǎn)1.添加平均長(zhǎng)度在3～20mm之間的微細(xì)纖維對(duì)紙張纖維素的增強(qiáng)作用，在于用量很少就能在紙張纖維素基體中形成高密度纖維互穿骨架，并且微細(xì)纖維的平均直徑遠(yuǎn)小于絕大多數(shù)纖維素纖維的平均直徑，0.5d和2d(登尼爾)的聚丙烯微細(xì)纖維的平均直徑分別為7～9μm和15～18μm，不影響紙張的粗糙度和書(shū)寫(xiě)性能。在紙張成型的烘干缸或蒸汽烘干過(guò)程中，烘干缸的溫度一般在110～180℃之間，視不同的紙類(lèi)改變其相應(yīng)的烘干溫度和紙張行進(jìn)速度，一般在240m/min以上；蒸汽烘干的工藝中，蒸汽溫度在150～200℃之間，紙張的行進(jìn)速度較低的約在170m/min，高的可以達(dá)到1600～2000m/min；所添加的微細(xì)纖維部份熔化，經(jīng)滾動(dòng)擠壓與纖維素纖維和微細(xì)纖維粘結(jié)在一起；互穿網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，相互粘結(jié)現(xiàn)象，聚合物表面活性劑的作用使微細(xì)纖維對(duì)紙張?jiān)鰪?qiáng)效果更為顯著。
用于紙張?jiān)鰪?qiáng)的微細(xì)纖維，可運(yùn)用聚丙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚酯、聚乙烯醇縮甲醛、尼龍及其相應(yīng)的高聚物混合制成高聚物合金紡制的微細(xì)纖維，其纖度范圍為0.5≤d≤2。纖維紡制過(guò)程中可添加CaCO3、TiO2、熒光材料作為填充料。微細(xì)纖維的添加量為0.2～10％，最佳使用量為0.5～5％，幾種纖維可以混合使用。在用于紙張?jiān)鰪?qiáng)的微細(xì)纖維中，可以全部或部分使用添加熒光材料的熒光纖維，使紙張?jiān)谠鰪?qiáng)的同時(shí)具有防偽性能。
2.添加聚合物表面活性劑，主要起到增強(qiáng)微細(xì)纖維表面改性，提高微細(xì)纖維與紙張纖維素纖維之間的化學(xué)結(jié)合力，利于微細(xì)纖維在紙張纖維素纖維之間均勻分散，并且高分子聚合物表面活性劑，具有絮凝作用，有利于減少紙漿中短纖維的和無(wú)機(jī)填充料的損失，減少水處理負(fù)荷。聚合物表面活性劑聚合度太小，會(huì)引起紙張纖維素纖維之間的化學(xué)親合力下降，反而降低紙張強(qiáng)度。以選用平均分子量大于1萬(wàn)優(yōu)選大于10萬(wàn)的聚合物表面活性劑為宜?？梢圆捎镁郾０?、聚甲基丙烯酸和聚乙烯醇作為聚合物表面活性劑。以配制成2～8％的水溶液方式添加到貯漿池(漿井)或貯漿井中。聚合物表面活性劑添加量為0.02～1％，最佳使用量為0.05～0.5％。
3.添加淀粉以及改性淀粉樹(shù)脂，旨在增強(qiáng)纖維素纖維之間，以及纖維與無(wú)機(jī)填料之間的結(jié)合力。淀粉及改性淀粉樹(shù)脂，以采用富含支鏈的淀粉為佳。土豆淀粉、木薯淀粉、玉米淀粉、小麥淀粉和米淀粉均可選用；土豆淀粉的支鏈淀粉含量相對(duì)較高，可優(yōu)先考慮。淀粉改性樹(shù)脂是通過(guò)酯化、酸水解、氧化、交聯(lián)和酶作用而改性的淀粉。添加量為0.1～3％，最佳使用量為0.5～1％。將淀粉煮透，配制成2～8％的水溶液方式加入貯漿池(漿井)或貯漿井中。
4.添加熱塑性樹(shù)脂的乳液，作為復(fù)合增強(qiáng)劑，加強(qiáng)微細(xì)纖維、纖維素纖維、無(wú)機(jī)填料之間的結(jié)合力，提高紙張強(qiáng)度。
熱塑性樹(shù)脂的乳液，可以采用聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酸酯、酚醛樹(shù)脂、聚醋酸乙烯、丙烯酸酯共聚物、聚醋酸乙烯氯乙烯共聚物、聚醋酸乙烯苯乙烯共聚物、聚醋酸乙烯酯乙烯共聚物、聚醋酸乙烯酯乳液、改性松香樹(shù)脂乳液及其組合。
熱塑性樹(shù)脂乳液的添加量為0.2～2％，以固含量為3～15％的乳液方式在造紙流水線的漿井(或稱(chēng)貯漿池)或貯漿井中添加。濃度太高易析出沉淀，不利于分散。
5.無(wú)機(jī)填充料，主要用于紙張的不透明性?？梢圆捎免伆追?、碳酸鈣作為填充料，其平均粒徑應(yīng)在≤30um。有的品種采用木漿或草漿本色，可以不添加無(wú)機(jī)填充料。無(wú)機(jī)填充料的添加量為0～30％。
6.紙張的纖維素纖維，可以是木漿，草漿，由回收紙張化制的紙漿及其混合物來(lái)提供。所提供的纖維素纖維占紙張干重的70～98％。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本以明作進(jìn)一步說(shuō)明，實(shí)施例并不對(duì)發(fā)明作出限定。
實(shí)施例1以闊葉木漿制備95g/m2的白紙，觀測(cè)微細(xì)纖維的分散程度；取0.125g聚乙烯醇PVA(分子量為1750)，0.025g淀粉和0.10g濃度為20％的聚醋酸乙烯(PVAc)乳液于500ml的燒杯中，加100g蒸餾水，在微波爐中加熱溶解，取出后，加入42g濃度為6％的闊葉木漿，加蒸餾水280g，加入0.0260g纖度0.6d的熒光微細(xì)聚丙烯纖維，置于HL2021多用度食品粉碎機(jī)中，攪拌30秒，傾入φ200mm的160目的標(biāo)準(zhǔn)篩中均勻布漿，轉(zhuǎn)移到濾紙上，壓上5層濾紙和壓板，在烘箱中90℃烘干10小時(shí)。取出后，揭去濾紙，所得白紙?jiān)谧贤鉄粝掠梅糯箸R觀測(cè)微細(xì)纖維的分散程度，所添加的熒光微細(xì)聚丙烯纖維可在紙張中分散均勻。
實(shí)施例2以制造120g/m2、幅寬1.8m的瓦楞紙為例，草漿與美國(guó)回收紙張化制的紙漿比例為7∶3；在漿井中將紙漿稀釋至濃度為0.8％；稀釋過(guò)程中，添加以下成份，見(jiàn)表(1)。
表1

紙漿經(jīng)漿泵輸送，布漿，真空吸水，在表滾壓中蒸汽烘干。泵漿速度為1.5M3/min；紙張走速為170m/min，烘干蒸汽的溫度為180℃。
以不加聚丙烯纖維，其它添加量同表1的瓦楞紙作對(duì)照，所制瓦楞紙的性能對(duì)于表(2)。
表2 性能對(duì)照表

實(shí)施例3以制造160g/m2、幅寬2.4m的瓦楞紙為例，草漿與美國(guó)回收廢紙化制的紙漿的比例為7.5∶2.5；在漿井中將紙漿稀釋至濃度為0.8％；稀釋過(guò)程中，添加以下成份，見(jiàn)表(3)表3

在漿井中攪拌混勻，經(jīng)漿泵輸送布漿，真空吸水，在滾壓中蒸汽烘干。泵漿速度為3M3/min，紙張走速180m/min，烘干蒸汽溫度為180℃。
以不添加聚丙烯纖維和聚酯纖維，其它添加量同表3的瓦楞紙作對(duì)照，性能對(duì)比于表4。
表4 性能對(duì)照表

權(quán)利要求
1.用微細(xì)增強(qiáng)纖維、聚合物表面活性劑、淀粉、熱塑性樹(shù)脂乳液和無(wú)機(jī)填充料、紙漿制成的微細(xì)纖維增強(qiáng)紙張；其特征在于各組分相對(duì)于紙張干重的重量百分比為組分 w.t/％(1)平均長(zhǎng)度為3～20mm的微細(xì)增強(qiáng)纖維0.2～10(2)聚合物表面活性劑 0.02～1(3)淀粉 0.1～3(4)熱塑性樹(shù)脂乳液 0.2～2(5)無(wú)機(jī)填充料 0～30(6)紙漿 65～98其中所述的微細(xì)增強(qiáng)纖維，至少是聚丙烯纖維、聚氯乙烯纖維、聚丙烯腈纖維、聚乙烯醇縮甲醛纖維、尼龍纖維的一種；所述的聚合物表面活性劑，至少是聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸和聚乙烯醇的一種；所述的熱塑性樹(shù)脂乳液，至少是聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酸酯、酚醛樹(shù)脂、聚醋酸乙烯、丙烯酸酯共聚物、聚醋酸乙烯氯乙烯共聚物、聚醋酸乙烯苯乙烯共聚物、聚醋酸乙烯酯乙烯共聚物、聚醋酸乙烯酯乳液、改性松香樹(shù)脂乳液的一種；所述的無(wú)機(jī)填充料至少是CaCO3、TiO2的一種；所述的紙漿至少是木漿、草漿和回收廢紙化制的紙漿的一種。
2.根據(jù)權(quán)利求1所述的微細(xì)纖維增強(qiáng)紙，其特征在于所述的微細(xì)增強(qiáng)纖維的纖度范圍是0.5～2d。
3.根據(jù)權(quán)利要求1～2所述的微細(xì)纖維增強(qiáng)紙，特征在于所述的微細(xì)增強(qiáng)纖維，至少是聚丙烯、聚氯乙烯、聚酯、聚丙烯腈、聚乙烯醇縮甲醛、尼龍的高聚物合金纖維的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3所述的微細(xì)纖維增強(qiáng)紙，特征在于所述的微細(xì)增強(qiáng)纖維，是添加熒光材料的微細(xì)增強(qiáng)纖維。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4所述的微細(xì)纖維增強(qiáng)紙，其特征在于所述的微細(xì)增強(qiáng)纖維至少是包含CaCO3、TiO2一種為填充料的纖維。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微細(xì)纖維增強(qiáng)紙，其特征在于所述的淀粉，至少是土豆淀粉、玉米淀粉、木薯淀粉、小麥淀粉、豆類(lèi)淀粉、大米淀粉的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、6所述的微細(xì)纖維增強(qiáng)低，其特征在于所述的淀粉至少是酯化淀粉、酸水解淀粉、氧化淀粉、醚化淀粉、交聯(lián)淀粉的一種。
8.根據(jù)上述的權(quán)利要求1、6、7所述的微細(xì)纖維增強(qiáng)低，其特征在于所述的淀粉是經(jīng)過(guò)煮透，配制成濃度2～8％的水溶液方式加入。
9.根據(jù)上述的權(quán)利要求1所述的微細(xì)纖維增強(qiáng)紙，其特征在于所述的熱塑性樹(shù)脂乳液是以固含量為3～15％的乳液方式加入。
10.根據(jù)上述的權(quán)利要求1所述的微細(xì)纖維增強(qiáng)紙，其特征在于所述的無(wú)機(jī)填充料平均粒徑不大于30μm。
全文摘要
本發(fā)明提供一種微細(xì)纖維增強(qiáng)紙及其制造方法，以相對(duì)于紙張干重的重量百分含量計(jì)算，添加0.2～10％的平均長(zhǎng)度為3～20mm、纖度單位為0.5～2d的短微細(xì)聚合物纖維作為增強(qiáng)纖維，0.02～1％的聚合物表面活性劑，0.1～3％的淀粉樹(shù)脂，0.2～2％的熱塑性能樹(shù)脂乳液，綜合改善紙張的纖維素纖維、增強(qiáng)纖維、無(wú)機(jī)填充料之間的結(jié)合性能，提高紙張強(qiáng)度。
文檔編號(hào)D21H21/14GK1594731SQ0315659
公開(kāi)日2005年3月16日 申請(qǐng)日期2003年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月10日
發(fā)明者王家君 申請(qǐng)人:王家君